JP2009257869A - Physical quantity sensor and its manufacturing method - Google Patents

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慎志 前川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable physical quantity sensor capable of reducing manufacturing costs and provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The method for manufacturing physical quantity sensors includes a process for forming a mask having apertures over a semiconductor substrate; a process for forming a plurality of piezoresistive elements by a thermal diffusion method in the semiconductor device exposed by the apertures; a process for removing the mask after the formation of the piezoresistive elements; a process for forming an insulating layer which covers at least part of the piezoresistive elements on the semiconductor substrate; and a process for forming contact holes by forming holes in the insulating layer within the regions of formation of the piezoresistive elements. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度や圧力などの物理量を検出するための物理量センサ及びその製造方法に関し、特にピエゾ抵抗素子を検出素子としたタイプのセンサに関する。   The present invention relates to a physical quantity sensor for detecting a physical quantity such as acceleration or pressure and a method for manufacturing the same, and more particularly to a sensor of a type using a piezoresistive element as a detection element.

近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて小型で単純な構造を有するセンサとして、ピエゾ抵抗を検出素子としたセンサが実用化されている。例えば、特許文献1にはピエゾ抵抗素子を検出素子とした加速度センサが開示されており、加わった加速度に応じて重錘体部が変位し、この変位に応じて可撓部が撓む。可撓部に形成したピエゾ抵抗素子は、可撓部の撓み量(応力)に応じて抵抗値を変化させる。そしてピエゾ抵抗素子に電圧を印加し、抵抗変化に伴う電圧値を参照することで加速度を検出している。
特開2006−98321号公報
In recent years, a sensor using a piezoresistor as a detection element has been put to practical use as a sensor having a small and simple structure using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. For example, Patent Document 1 discloses an acceleration sensor using a piezoresistive element as a detection element. The weight body portion is displaced according to the applied acceleration, and the flexible portion is bent according to the displacement. The piezoresistive element formed in the flexible part changes the resistance value according to the amount of bending (stress) of the flexible part. Then, a voltage is applied to the piezoresistive element, and the acceleration is detected by referring to the voltage value accompanying the resistance change.
JP 2006-98321 A

特許文献1における加速度センサの製造では、不純物の注入量と注入深さを正確にコントロールできることから、イオン注入法を用いてピエゾ抵抗素子を形成している。しかしながら、イオン注入装置は非常に高価であり、安価にセンサを製造するためには製造コストの増加は避けるべきである。   In the manufacture of the acceleration sensor in Patent Document 1, the piezoresistive element is formed using an ion implantation method because the impurity implantation amount and implantation depth can be accurately controlled. However, the ion implantation apparatus is very expensive, and an increase in manufacturing cost should be avoided in order to manufacture a sensor at low cost.

また、イオン注入法では数MeVの高いエネルギーをもった注入イオンを半導体層に注入する。このため、注入イオンの衝突により半導体層の結晶内に損傷(結晶欠陥)が発生する。結晶欠陥は、後のアニール工程である程度回復するものの、完全には回復しないことから、半導体層に残存することになる。上記のような欠陥は、ピエゾ抵抗素子が配設された薄肉状の可撓部(梁あるいはダイアフラム部を含む)の強度の劣化などを招き、信頼性の低下の原因になる(Sensors and actuators A,110(2004) pp.150-156などに報告あり)。   In the ion implantation method, implanted ions having a high energy of several MeV are implanted into the semiconductor layer. For this reason, damage (crystal defects) occurs in the crystal of the semiconductor layer due to the collision of implanted ions. Although crystal defects are recovered to some extent in a later annealing step, they are not completely recovered, and therefore remain in the semiconductor layer. Defects such as the above cause deterioration in the strength of thin-walled flexible parts (including beams or diaphragms) in which piezoresistive elements are arranged, causing a decrease in reliability (Sensors and actuators A 110 (2004) pp.150-156).

そこで上記に鑑み、本発明の目的は製造コストを抑え、かつ信頼性の高い物理量センサ及びその製造方法を提供することにある。   Therefore, in view of the above, an object of the present invention is to provide a physical quantity sensor and a method for manufacturing the same that can reduce manufacturing costs and have high reliability.

本発明に係る物理量センサは、外周部に位置するフレーム部と、前記フレーム部の内側に配置された錘部と、前記フレーム部と前記錘部とを接続し、かつ前記フレーム部よりも厚みが薄い可撓部と、前記可撓部に形成され、物理量変動を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、前記複数のピエゾ抵抗素子の相互間の距離を6μmより大きくすることを特徴とする。   A physical quantity sensor according to the present invention connects a frame part located on an outer peripheral part, a weight part arranged inside the frame part, the frame part and the weight part, and has a thickness larger than that of the frame part. A thin flexible portion; and a plurality of piezoresistive elements formed on the flexible portion for detecting physical quantity fluctuations, wherein a distance between the plurality of piezoresistive elements is made larger than 6 μm. And

本発明に係る物理量センサの製造方法は、半導体基板上に開口を有するマスクを形成する工程と、前記開口により露出した前記半導体基板に、熱拡散法により複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、前記ピエゾ抵抗素子を形成した後、前記マスクを除去する工程と、前記半導体基板上に、前記ピエゾ抵抗素子の少なくとも一部を覆う絶縁層を形成する工程と、前記ピエゾ抵抗素子の形成領域内における前記絶縁層を開孔してコンタクトホールを形成する工程と、を含むことを特徴とする。   The physical quantity sensor manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a mask having an opening on a semiconductor substrate, a step of forming a plurality of piezoresistive elements on the semiconductor substrate exposed by the opening by a thermal diffusion method, After forming the piezoresistive element, removing the mask, forming an insulating layer covering at least a part of the piezoresistive element on the semiconductor substrate, and in a region where the piezoresistive element is formed Forming a contact hole by opening the insulating layer.

本発明によれば熱拡散法を用いてピエゾ抵抗素子を形成することで製造コストを抑え、かつ信頼性の高い物理量センサの製造方法を提供することができる。
また、半導体基板に対して不純物拡散により形成した複数のピエゾ抵抗素子の相互間距離を6μmより大きくすることで、ピエゾ抵抗素子間の電流リークを低減することができる。複数のピエゾ抵抗素子間の半導体層に溝部を形成することで電流リークをさらに低減することができる。したがって、信頼性の高い物理量センサを提供することができる。
According to the present invention, a piezoresistive element is formed using a thermal diffusion method, thereby reducing the manufacturing cost and providing a highly reliable manufacturing method of a physical quantity sensor.
Further, the current leakage between the piezoresistive elements can be reduced by setting the distance between the plurality of piezoresistive elements formed by impurity diffusion to the semiconductor substrate to be larger than 6 μm. By forming the groove in the semiconductor layer between the plurality of piezoresistive elements, current leakage can be further reduced. Therefore, a highly reliable physical quantity sensor can be provided.

以下、図面を参照して本発明の実施態様に係る半導体3軸加速度センサに関して説明する。図1は本発明に係る加速度センサの全体斜視図である。
図1に示すように加速度センサ1は略直方体であり、半導体基板からなるセンサ本体2と、ガラスからなる支持基板3により構成されている。説明のため、図では加速度センサの面内に直交する2軸(X軸とY軸)を設定し、この2軸に垂直な方向をZ軸と定めている。センサ本体2はSOI(Silicon On Insulator)基板110からなり、シリコン膜120、シリコン酸化膜130、シリコン基板140が順に積層して構成されている。そして開口を有するフレーム(フレーム部121およびフレーム部141)内に重錘体(錘部142)が配置され、この重錘体を可撓性の梁(可撓部123)によって支持して構成されている。支持基板3はセンサ本体2を支持する台座としての機能と、重錘体の下方(Z軸負方向)への過剰な変位を規制するストッパ基板としての機能を併せもっている。なお、センサ本体2をパッケージ基板(図示しない)へ直接実装する場合には、支持基板3を必ずしも必要としない。また、支持基板2はガラス以外に、シリコン、絶縁性樹脂板、金属板などを用いることも可能である。
A semiconductor triaxial acceleration sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall perspective view of an acceleration sensor according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor 1 is a substantially rectangular parallelepiped, and includes a sensor main body 2 made of a semiconductor substrate and a support substrate 3 made of glass. For the sake of explanation, in the figure, two axes (X axis and Y axis) perpendicular to the plane of the acceleration sensor are set, and a direction perpendicular to the two axes is defined as the Z axis. The sensor body 2 is composed of an SOI (Silicon On Insulator) substrate 110, and is formed by sequentially laminating a silicon film 120, a silicon oxide film 130, and a silicon substrate 140. A weight body (weight section 142) is arranged in a frame (frame section 121 and frame section 141) having an opening, and the weight body is supported by a flexible beam (flexible section 123). ing. The support substrate 3 has a function as a pedestal for supporting the sensor body 2 and a function as a stopper substrate for restricting excessive displacement of the weight body in the downward direction (Z-axis negative direction). Note that when the sensor body 2 is directly mounted on a package substrate (not shown), the support substrate 3 is not necessarily required. In addition to glass, the support substrate 2 can be made of silicon, an insulating resin plate, a metal plate, or the like.

図2は加速度センサの分解斜視図である。シリコン膜120は、固定されたフレーム部121(フレーム上部)と、フレーム部121内側に配置された錘接合部122と、フレーム部121と錘接合部122とを接続する2対(計4本)の可撓部123を備えている。フレーム部121、錘接合部122、可撓部123は開口124によって画定されている。フレーム部121はシリコン酸化膜130を介してフレーム部141(フレーム下部)と接合されている。また、錘接合部122はシリコン酸化膜130を介して鉛直視略クローバー形状の錘部142と接合されている。錘部142はフレーム部141内側に離間して配置されている。
支持基板3は例えば、ガラス基板からなりセンサ本体2と陽極接合により接合されている。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor. The silicon film 120 includes a fixed frame portion 121 (the upper portion of the frame), a weight joint portion 122 disposed inside the frame portion 121, and two pairs (four in total) that connect the frame portion 121 and the weight joint portion 122. The flexible part 123 is provided. The frame portion 121, the weight joint portion 122, and the flexible portion 123 are defined by the opening 124. The frame part 121 is joined to the frame part 141 (the lower part of the frame) via the silicon oxide film 130. Further, the weight joint portion 122 is joined to the weight portion 142 having a substantially crowbar shape in the vertical view through the silicon oxide film 130. The weight part 142 is disposed to be separated from the inside of the frame part 141.
The support substrate 3 is made of, for example, a glass substrate and is bonded to the sensor body 2 by anodic bonding.

図3はセンサ本体の平面図及び断面図である。図3(A)はセンサ本体の平面図であり、4本の可撓部123上には3軸(XYZ)方向の加速度を検出するための検出部Rx〜Rzが配設されている。検出部は、可撓部123がフレーム部121および錘接合部122と接続する領域近傍に配置されている。図面ではX軸に沿った方向に配置した1対の可撓部には、X方向およびZ方向の加速度を検出するために検出部Rx1〜Rx4およびRz1〜Rz4が配置される。一方、Y軸に沿った方向に配置した1対の可撓部にはY方向の加速度を検出するための検出部Ry1〜Ry4が配置されている。なお、Y軸に沿った方向に配置した1対の可撓部に検出部Rz1〜Rz4を配置してもよい。
図3(B)はセンサ本体をX−Xに沿った断面図であり、錘部142の下面はフレーム部141の下端よりも高くされており、ガラス基板3との間にギャップによりZ負方向に一定量の変位可能なように設定されている。図3(C)はセンサ本体をY−Yに沿った断面図であり、可撓部123は可撓性をもった自立薄膜である。
FIG. 3 is a plan view and a sectional view of the sensor body. FIG. 3A is a plan view of the sensor main body, and detectors Rx to Rz for detecting accelerations in three axis (XYZ) directions are arranged on the four flexible parts 123. The detection unit is disposed in the vicinity of a region where the flexible part 123 connects to the frame part 121 and the weight joint part 122. In the drawing, detectors Rx1 to Rx4 and Rz1 to Rz4 are arranged in a pair of flexible parts arranged in the direction along the X axis in order to detect acceleration in the X direction and the Z direction. On the other hand, detection parts Ry1 to Ry4 for detecting acceleration in the Y direction are arranged in a pair of flexible parts arranged in the direction along the Y axis. In addition, you may arrange | position the detection parts Rz1-Rz4 to a pair of flexible part arrange | positioned in the direction along the Y-axis.
FIG. 3B is a cross-sectional view of the sensor main body along X-X. The lower surface of the weight portion 142 is made higher than the lower end of the frame portion 141, and the Z-negative direction is caused by a gap between the sensor substrate 142 and the glass substrate 3. It is set so that a certain amount of displacement is possible. FIG. 3C is a cross-sectional view of the sensor body along YY, and the flexible portion 123 is a self-supporting thin film having flexibility.

図4は検出部の詳細を説明する図面であり、平面図と断面図(A−A断面)を示している。検出部Rは、シリコン膜120にB(ボロン)やP(リン)などの不純物を拡散して形成したピエゾ抵抗素子であり、可撓部123とフレーム部121の境界、および可撓部123と錘接合部122の境界近傍に配置されている。検出部Rは可撓部123とフレーム部121が接続する境界線に接するように配置されているが、当該境界線を跨ぐように配置してもよい。
検出部Rは絶縁層150に覆われており、配線(後述する)との接続箇所にコンタクトホール151を有している。接続抵抗を下げるためにコンタクトホール151によって露出した検出部に、高濃度拡散領域(検出部よりも1〜3桁程度濃度が高い不純物拡散領域)を設けて接続してもよい。なお、Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の計12個の検出部は検出方向ごとに接続されて、ブリッジ回路を形成している。なお、ブリッジ回路接続に関しては本出願人の特許出願である特開2007−322297号公報を参考にできる。フレーム部121上には、外部回路と接続するための電極パッド(図示しない)を有し、配線152の延長部分が当該電極パッドと接続して、加速度に伴う電気信号を外部回路へ取り出している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the details of the detection unit, and shows a plan view and a cross-sectional view (cross section AA). The detection part R is a piezoresistive element formed by diffusing impurities such as B (boron) and P (phosphorus) in the silicon film 120, and the boundary between the flexible part 123 and the frame part 121 and the flexible part 123. It is arranged near the boundary of the weight junction 122. Although the detection unit R is arranged so as to contact the boundary line connecting the flexible unit 123 and the frame unit 121, the detection unit R may be arranged so as to straddle the boundary line.
The detection unit R is covered with an insulating layer 150 and has a contact hole 151 at a connection point with a wiring (described later). In order to lower the connection resistance, the detection portion exposed by the contact hole 151 may be connected by providing a high concentration diffusion region (impurity diffusion region having a concentration of about 1 to 3 digits higher than that of the detection portion). Note that a total of twelve detection units Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4 are connected in each detection direction to form a bridge circuit. Regarding the bridge circuit connection, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-322297, which is a patent application of the present applicant, can be referred to. An electrode pad (not shown) for connecting to an external circuit is provided on the frame portion 121, and an extended portion of the wiring 152 is connected to the electrode pad, and an electric signal accompanying acceleration is taken out to the external circuit. .

次に図7を参照して、第1の実施形態に係る加速度センサの製造方法について述べる。図7は本発明に係る第1の実施形態の製造方法を示す図面である。
第1の実施形態に係る加速度センサの製造方法
(1)SOI基板の準備(図7(A)参照)
シリコン膜120、酸化シリコン膜130、シリコン基板140を積層してなるSOI基板110を用意する。上述したように、シリコン膜120はフレーム部121、錘接合部122、可撓部123を構成する層である。酸化シリコン膜130は、シリコン膜120とシリコン基板140とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板140はフレーム部141、錘部142を構成する層である。SOI基板110は、SIMOXないし、貼り合せ法等により作成される。SOI基板110は、シリコン膜120、シリコン酸化膜130、シリコン基板140の厚みがそれぞれ、10μm、2μm、600μmである。なお、外形が約1〜3mm正方の小型の加速度センサ1が直径150mm〜300mmのウエハに多面付けで複数個配置されている。ウエハが大口径化することで多くのセンサチップを一括して製造することで高い生産性を有している。将来、さらにウエハが大口径化することも考えられる。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a drawing showing the manufacturing method of the first embodiment according to the present invention.
Acceleration sensor manufacturing method according to first embodiment (1) Preparation of SOI substrate (see FIG. 7A)
An SOI substrate 110 in which a silicon film 120, a silicon oxide film 130, and a silicon substrate 140 are stacked is prepared. As described above, the silicon film 120 is a layer constituting the frame part 121, the weight joint part 122, and the flexible part 123. The silicon oxide film 130 is a layer that joins the silicon film 120 and the silicon substrate 140 and functions as an etching stopper layer. The silicon substrate 140 is a layer constituting the frame part 141 and the weight part 142. The SOI substrate 110 is produced by SIMOX or a bonding method. In the SOI substrate 110, the silicon film 120, the silicon oxide film 130, and the silicon substrate 140 have thicknesses of 10 μm, 2 μm, and 600 μm, respectively. A plurality of small acceleration sensors 1 having a square shape of about 1 to 3 mm are arranged on a wafer having a diameter of 150 mm to 300 mm in a multi-faceted manner. As the diameter of the wafer is increased, a large number of sensor chips are manufactured at once, resulting in high productivity. In the future, the diameter of the wafer may be further increased.

(2)拡散用マスクの形成(図7(B)参照)
SOI基板110のシリコン膜120側に不純物拡散用のマスクである拡散用マスクMを形成する。このマスク材としては、例えばシリコン窒化膜(Si34)やシリコン酸化膜(SiO2)、レジストなどを用いることができる。ここではシリコン酸化膜をシリコン膜120全面に熱酸化あるいはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により成膜した後、シリコン窒化膜を成膜し、シリコン窒化膜上にレジストパターン(図示せず)を形成し、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜に検出部Rに対応する開口をRIE(Reactive Ion Etching)及びフッ酸などのウエットエッチングにより形成する。拡散用マスクMはシリコン膜120側からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の2層構造になっている(図面では特に区別して記載していない)。なお、シリコン窒化膜は後述する拡散剤の拡散防止用のために用いている。
(2) Formation of diffusion mask (see FIG. 7B)
A diffusion mask M that is an impurity diffusion mask is formed on the SOI substrate 110 on the silicon film 120 side. As this mask material, for example, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxide film (SiO 2 ), a resist, or the like can be used. Here, after a silicon oxide film is formed on the entire surface of the silicon film 120 by thermal oxidation or plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), a silicon nitride film is formed, and a resist pattern (see FIG. An opening corresponding to the detection portion R is formed in the silicon nitride film and the silicon oxide film by wet etching such as RIE (Reactive Ion Etching) and hydrofluoric acid. The diffusion mask M has a two-layer structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film from the silicon film 120 side (not particularly distinguished in the drawing). The silicon nitride film is used for preventing diffusion of a diffusing agent, which will be described later.

(3)検出部の形成(図7(C)参照)
検出部(ピエゾ抵抗素子)を熱拡散法により形成する方法として、(a)塗布拡散法あるいは(b)気相拡散法が挙げられる。
(a)塗布拡散法
B(ボロン)を含む拡散剤をスピンコートなどで塗布する。拡散剤を所定の厚さにするため回転数を適宜調整する。塗布後、650℃〜900℃の温度下の炉中で酸素雰囲気または大気雰囲気中で拡散剤中のドーパント(不純物)をシリコン膜120中に拡散する。その後、フッ酸などの酸薬液によって表面の高い濃度の部分を除去し、800℃程度の温度で表面を酸化させてシリサイドを形成する。シリサイド化した箇所をフッ酸などの酸薬液によって除去を行なった後、所定の濃度1017〜1019(atoms/cm3)になるように1000℃程度の熱処理を行い、シリコン膜120内にドライブインさせ、検出部Rを形成する。所望の濃度に応じて800℃と1000℃の異なる温度の熱処理を適宜組み合わせて行なってもよい。なお、熱処理の時間を短くすると、検出部の不純物分布の面内方向への広がりを抑えることができる。
その後、拡散用マスクMを(シリコン窒化膜は熱燐酸で、シリコン酸化膜はフッ酸によって)完全にエッチング除去する。熱酸化膜である拡散用マスクMにはボロンが含まれており、不純物拡散用のマスクとして用いた後は完全に除去することが好ましい。拡散用マスクMを残し、そのまま絶縁層として用いた場合には後述する製造工程(特に加熱を要する工程)において不純物の再拡散が起こるためである。
(3) Formation of detector (see FIG. 7C)
Examples of a method for forming the detection portion (piezoresistive element) by a thermal diffusion method include (a) a coating diffusion method and (b) a vapor phase diffusion method.
(A) Coating / Diffusion Method A diffusing agent containing B (boron) is coated by spin coating or the like. The number of rotations is appropriately adjusted in order to make the diffusing agent have a predetermined thickness. After the application, the dopant (impurities) in the diffusing agent is diffused into the silicon film 120 in an oxygen atmosphere or an air atmosphere in a furnace at a temperature of 650 ° C. to 900 ° C. Thereafter, a high concentration portion of the surface is removed with an acid chemical solution such as hydrofluoric acid, and the surface is oxidized at a temperature of about 800 ° C. to form silicide. After the silicidized portion is removed with an acid chemical solution such as hydrofluoric acid, heat treatment is performed at about 1000 ° C. to a predetermined concentration of 10 17 to 10 19 (atoms / cm 3 ), and the silicon film 120 is driven. The detection unit R is formed. Depending on the desired concentration, heat treatments at different temperatures of 800 ° C. and 1000 ° C. may be appropriately combined. Note that if the heat treatment time is shortened, the spread of the impurity distribution in the detection portion in the in-plane direction can be suppressed.
Thereafter, the diffusion mask M is completely etched away (the silicon nitride film is hot phosphoric acid and the silicon oxide film is hydrofluoric acid). The diffusion mask M, which is a thermal oxide film, contains boron, and is preferably completely removed after being used as an impurity diffusion mask. This is because if the diffusion mask M is left and used as an insulating layer as it is, re-diffusion of impurities occurs in a manufacturing process (particularly a process that requires heating) to be described later.

検出部の不純物分布が面内方向に広がっているため、隣接する検出部Rを過度に近接して配置すると検出部間で電流リークが発生する。そのため検出部Rは、互いに6μmよりも大きい距離だけ離間させて配置させている。また、検出部Rの離間距離は可撓部123の幅の1/2未満であることが好ましい。検出部Rが離間しすぎて、可撓部123の中心線から離れるほど検出したくない捻れによる出力(いわゆる他軸感度)を検出してしまうためである。検出部Rは、検出したくない方向の捻れ(いわゆる他軸感度)を抑えるためには、可撓部123の中心線に近づけて配置することが好ましい。   Since the impurity distribution of the detection part spreads in the in-plane direction, current leakage occurs between the detection parts when the adjacent detection parts R are arranged too close to each other. Therefore, the detection parts R are arranged apart from each other by a distance larger than 6 μm. Further, the separation distance of the detection unit R is preferably less than ½ of the width of the flexible unit 123. This is because the detection unit R detects an output (so-called other-axis sensitivity) due to twisting that is not desired to be detected as the detection unit R is too far away from the center line of the flexible unit 123. The detection unit R is preferably arranged close to the center line of the flexible unit 123 in order to suppress twisting (so-called other-axis sensitivity) in a direction that is not desired to be detected.

(b)気相拡散法
気相拡散はB、P等を含んだガスをSi基板にさらすことによってなされる。Bを拡散する場合、750℃〜900℃の温度下の拡散炉中でBBr3などのドーパントガス(O2をともに流すこともある)を開口にさらし、ドーパント(不純物)を拡散する。その後、フッ酸などの酸薬液によって表面の高い濃度のガス成分を除去し、800℃程度の温度で表面を酸化させてシリサイドを形成する。シリサイド化した箇所をフッ酸などの酸薬液によって除去を行なった後、所定の濃度1017〜1019(atoms/cm3)になるように1000℃程度の熱処理を行い、不純物濃度の調整をする。所望の濃度に応じて800℃と1000℃の異なる温度の熱処理を適宜組み合わせて行なってもよい。なお、熱処理の時間を短くすると、検出部の不純物分布の面内方向への広がりを抑えることができる。
上述した熱拡散法によれば、イオン注入法を用いないため可撓部123を構成するシリコン膜120に結晶欠陥を発生させず、熱拡散法を用いて製造された物理量センサは長期安定性を有している。
(B) Vapor phase diffusion method Vapor phase diffusion is performed by exposing a gas containing B, P, etc. to a Si substrate. When diffusing B, a dopant gas such as BBr 3 (sometimes O 2 is allowed to flow together) is exposed to the opening in a diffusion furnace at a temperature of 750 ° C. to 900 ° C. to diffuse the dopant (impurities). Thereafter, a high concentration gas component on the surface is removed with an acid chemical solution such as hydrofluoric acid, and the surface is oxidized at a temperature of about 800 ° C. to form silicide. After removing the silicidized portion with an acid chemical solution such as hydrofluoric acid, heat treatment is performed at about 1000 ° C. to adjust the impurity concentration to a predetermined concentration of 10 17 to 10 19 (atoms / cm 3 ). . Depending on the desired concentration, heat treatments at different temperatures of 800 ° C. and 1000 ° C. may be appropriately combined. Note that if the heat treatment time is shortened, the spread of the impurity distribution in the detection portion in the in-plane direction can be suppressed.
According to the thermal diffusion method described above, since the ion implantation method is not used, no crystal defects are generated in the silicon film 120 constituting the flexible portion 123, and the physical quantity sensor manufactured using the thermal diffusion method has long-term stability. Have.

(4)絶縁層およびコンタクトホールの形成(図7(D)参照)
シリコン膜120上に絶縁層150を形成する。絶縁層150はプラズマCVD法や低圧CVD法で成膜を行えばよい。例えば、シリコン膜120の表面にプラズマCVD法によりSiO2の層を形成する。プラズマCVDでの成膜例を以下に示す。SiO2はTEOS(Si(OC254)/O2、SiH4/N2Oなどのガスを用いればよく、応力の範囲は−200MPa〜+200MPa、膜厚は30nm〜1μmの範囲であればセンサの感度やオフセット電圧に影響を少なくできる点で好ましい。絶縁層150上にレジストをマスクとしたRIEによってコンタクトホール151を形成する。プラズマCVD法により新たに絶縁層150を形成することで、不純物汚染のない絶縁層150を形成できる。なお、膜応力は膜付けしたウエハの反り変化量を光学的に計測して算出した値である(例えば、レーザー光線を用いて、成膜前後の基板の反り(曲率半径)の変化量を測った値を算術変換した値を膜応力の値とできる)。
シリコン膜120の表面を熱酸化して絶縁層150を形成することもできるが、熱処理した際に不純物の拡散を誘引するため好ましくない。
また、PSG(Phosphorous silicated glass)を絶縁層150上に積層してもよい。PSG膜は可動イオンのゲッタリング効果を有している。
(4) Formation of insulating layer and contact hole (see FIG. 7D)
An insulating layer 150 is formed on the silicon film 120. The insulating layer 150 may be formed by a plasma CVD method or a low pressure CVD method. For example, a SiO 2 layer is formed on the surface of the silicon film 120 by plasma CVD. Examples of film formation by plasma CVD are shown below. SiO 2 may be a gas such as TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) / O 2 , SiH 4 / N 2 O, the stress range is −200 MPa to +200 MPa, and the film thickness is in the range of 30 nm to 1 μm. If it exists, it is preferable at the point which can reduce influence on the sensitivity and offset voltage of a sensor. A contact hole 151 is formed on the insulating layer 150 by RIE using a resist as a mask. By newly forming the insulating layer 150 by a plasma CVD method, the insulating layer 150 free from impurity contamination can be formed. Note that the film stress is a value calculated by optically measuring the amount of warpage change of the filmed wafer (for example, the amount of change in the warpage (curvature radius) of the substrate before and after film formation was measured using a laser beam. The value obtained by arithmetic conversion of the value can be used as the film stress value).
Although the insulating layer 150 can be formed by thermally oxidizing the surface of the silicon film 120, it is not preferable because it induces diffusion of impurities when heat-treated.
Further, PSG (Phosphorus silicate glass) may be stacked on the insulating layer 150. The PSG film has a mobile ion gettering effect.

(5)配線の作成(図7(E)参照)
配線152を形成する。配線152はAl,Al−Si,Al−Ndなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることで得られる。なお、配線152と検出部Rの間でオーミックコンタクトを形成するために、熱処理(380℃〜420℃)を施す。なお、配線152上に保護膜としてシリコン窒化膜(Si34)などの膜を設けてもよい。
(5) Creation of wiring (refer to FIG. 7E)
A wiring 152 is formed. The wiring 152 is obtained by forming a metal material such as Al, Al—Si, or Al—Nd by sputtering or the like and patterning it. In addition, in order to form an ohmic contact between the wiring 152 and the detection unit R, heat treatment (380 ° C. to 420 ° C.) is performed. Note that a film such as a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) may be provided over the wiring 152 as a protective film.

(6)シリコン膜の加工(図7(F)参照)
シリコン膜120をシリコン酸化膜130の上面が露出するまでRIEなどによりエッチングして開口124を形成して、フレーム部121、錘接合部122、可撓部123を画定する。
(6) Processing of silicon film (see FIG. 7F)
The silicon film 120 is etched by RIE or the like until the upper surface of the silicon oxide film 130 is exposed to form an opening 124, thereby defining the frame portion 121, the weight junction portion 122, and the flexible portion 123.

(7)ギャップ形成(図7(G)参照)
フレーム部141の内枠に沿った開口を有するマスクを用いて、シリコン基板140をエッチングしてギャップ160を形成する。ギャップ160は、錘部142が下方(ガラス基板3側)へ変位するために必要な間隔であり、例えば、5〜10μmである。
(7) Gap formation (see FIG. 7G)
The gap 160 is formed by etching the silicon substrate 140 using a mask having an opening along the inner frame of the frame portion 141. The gap 160 is an interval necessary for the weight portion 142 to be displaced downward (on the glass substrate 3 side), and is, for example, 5 to 10 μm.

(8)シリコン基板の加工(図7(H)参照)
次に、フレーム部141、錘部142に画定するためのマスクをシリコン基板140の下面に形成する。このマスクを用いてシリコン基板140をシリコン酸化膜130の下面が露出するまでエッチングを行なう。エッチングにはDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を用いるのが好適である。
(8) Processing of silicon substrate (see FIG. 7H)
Next, a mask for defining the frame part 141 and the weight part 142 is formed on the lower surface of the silicon substrate 140. Using this mask, the silicon substrate 140 is etched until the lower surface of the silicon oxide film 130 is exposed. It is preferable to use DRIE (Deep Reactive Ion Etching) for the etching.

DRIEでは材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、彫った穴の側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能である。エッチングガスとしてSF6等のイオン・ラジカル供給ガスを用い、デポジションガスとしてC48等を用いることができる。 In DRIE, an etching step of digging while eroding the material layer in the thickness direction and a deposition step of forming a polymer wall on the side wall of the carved hole are alternately repeated. Since the side wall of the hole that has been dug is protected by forming a polymer wall in sequence, it is possible to advance erosion almost only in the thickness direction. An ion / radical supply gas such as SF 6 can be used as an etching gas, and C 4 F 8 or the like can be used as a deposition gas.

(9)不要なシリコン酸化膜の除去(図7(I)参照)
エッチングストッパとして用いた部分の不要なシリコン酸化膜をRIE、ウェットエッチング、蒸気フッ酸処理などにより除去する。これにより、シリコン酸化膜130は、フレーム部121とフレーム部141、錘接合部122と錘部142の間に存在している。
(9) Removal of unnecessary silicon oxide film (see FIG. 7I)
The unnecessary silicon oxide film used as an etching stopper is removed by RIE, wet etching, vapor hydrofluoric acid treatment, or the like. Thus, the silicon oxide film 130 exists between the frame portion 121 and the frame portion 141, and the weight joint portion 122 and the weight portion 142.

(10)ガラス基板の接合(図7(J)参照)
センサ本体2とガラス基板3とを接合する。ガラス基板3は、Naイオンなどの可動イオンを含む、いわゆるパイレックス(登録商標)ガラスであって、SOI基板110との接合には陽極接合を用いる。なお、陽極接合時の静電引力により錘部142がガラス基板3の上面にスティッキングするのを防ぐために、ガラス基板3の上面にスパッタ法によりCrなどのスティッキング防止膜(図示せず)を形成しておいてもよい。これによりセンサ本体2とガラス基板3が接合され、加速度センサ1が構成される。
(10) Glass substrate bonding (see FIG. 7J)
The sensor body 2 and the glass substrate 3 are joined. The glass substrate 3 is so-called Pyrex (registered trademark) glass containing movable ions such as Na ions, and anodic bonding is used for bonding to the SOI substrate 110. In order to prevent the weight 142 from sticking to the upper surface of the glass substrate 3 due to electrostatic attraction during anodic bonding, a sticking prevention film (not shown) such as Cr is formed on the upper surface of the glass substrate 3 by sputtering. You may keep it. Thereby, the sensor main body 2 and the glass substrate 3 are joined, and the acceleration sensor 1 is comprised.

(11)個片化
加速度センサ1をダイシングソー等でダイシングし、個々の加速度センサ1に個片化する。本明細書ではウエハに多面付け配置された「加速度センサ」と、個片化された「加速度センサ」とを特に区別せず加速度センサ1と呼んでいる。以上、半導体基板を用いて、外周部に位置するフレーム部と、フレーム部の内側に配置された錘部と、フレーム部と錘部とを接続し、かつフレーム部よりも厚みが薄い可撓部と、可撓部に形成され、物理量変動を検出するための複数のピエゾ抵抗素子とを備えた加速度センサを製造する方法に関して説明した。
(11) Individualization The acceleration sensor 1 is diced with a dicing saw or the like, and is divided into individual acceleration sensors 1. In the present specification, the “acceleration sensor” arranged in a multi-face manner on the wafer and the “acceleration sensor” separated into pieces are referred to as the acceleration sensor 1 without any particular distinction. As described above, using the semiconductor substrate, the frame portion located on the outer peripheral portion, the weight portion disposed inside the frame portion, and the flexible portion having a smaller thickness than the frame portion, and connecting the frame portion and the weight portion. And a method of manufacturing an acceleration sensor that includes a plurality of piezoresistive elements that are formed in the flexible portion and detect physical quantity fluctuations.

(第2の実施形態)
図5を参照して第2の実施形態について説明する。検出部R間に溝部170を形成している点を除き、第1の実施形態と略同一である。図5は第2の実施形態を表す図面である。
図5(A)は、可撓部123の上面図であり、複数の検出部R間にハッチング領域で示した溝部170が形成されている。図5(B)は、図5(A)のZ−Zにおける可撓部123の断面を示している。検出部Rの間に少なくとも1つの溝部170を形成することにより、検出部の素子分離を図ることができる。不純物拡散領域は検出部Rの外縁領域にわたってある程度広がっている。そのため、溝部170により不純物拡散領域の重なりを防ぐことができる。なお、イオン注入法を用いて形成したピエゾ抵抗素子においても不純物拡散領域に広がりがあるため、本実施形態は有効である。検出部間に溝部170を形成することで、本実施形態は、検出部間での不純物拡散領域の重なりによる電流リークを防ぐことができ、好適である。溝部170は、可撓部123の強度を損なわない範囲において検出部間だけではなく、検出部の周囲にわたって形成してもよい。溝部170はシリコン膜120をエッチングして数μm掘り込んで形成する。溝部170はピエゾ抵抗素子の不純物深さ(基板厚み方向における不純物拡散領域の深さ)よりも深く形成しておくことが電流リークを抑制する点で好ましい。例えば溝の深さは0.3μm以上、かつシリコン膜120の厚みの1/3以下であることが好ましい。0.3μm以下であると電流リークを抑制する効果を得にくく、またシリコン膜120の厚みの1/3より大きいと可撓部123の強度を低下させてしまう。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. Except for the point that the groove 170 is formed between the detection parts R, it is substantially the same as the first embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment.
FIG. 5A is a top view of the flexible portion 123, and a groove portion 170 indicated by a hatched region is formed between the plurality of detection portions R. FIG. FIG. 5B illustrates a cross section of the flexible portion 123 along ZZ in FIG. By forming at least one groove 170 between the detection parts R, it is possible to achieve element isolation of the detection parts. The impurity diffusion region extends to some extent over the outer edge region of the detection portion R. Therefore, the impurity diffusion regions can be prevented from overlapping by the groove 170. Note that this embodiment is effective because the impurity diffusion region is widened even in a piezoresistive element formed by using the ion implantation method. By forming the groove part 170 between the detection parts, this embodiment can prevent current leakage due to the overlap of impurity diffusion regions between the detection parts, which is preferable. The groove part 170 may be formed not only between the detection parts but also around the detection part in a range where the strength of the flexible part 123 is not impaired. The groove 170 is formed by etching the silicon film 120 and digging it into several μm. The groove 170 is preferably formed deeper than the impurity depth of the piezoresistive element (depth of the impurity diffusion region in the substrate thickness direction) from the viewpoint of suppressing current leakage. For example, the depth of the groove is preferably 0.3 μm or more and 1/3 or less of the thickness of the silicon film 120. If the thickness is 0.3 μm or less, it is difficult to obtain the effect of suppressing current leakage, and if the thickness is larger than 1/3 of the thickness of the silicon film 120, the strength of the flexible portion 123 is lowered.

(変形例)
図6を参照して第1、第2の実施形態の変形例を示す(変形例1〜変形例2)。
§変形例1
X、Y、Z方向の加速度を検出するための検出部Rを、複数対のピエゾ抵抗素子を直列に接続して構成し、さらに各方向検出用のピエゾ抵抗素子が可撓部123の中心線に対称に配置されている。上記の構成とすることで、可撓部123の中心線に対称にピエゾ抵抗素子を配置すると検出したくない捻れが発生したときに、ピエゾ抵抗素子にはそれぞれ逆方向の応力が加わることになるため、応力の影響を相殺することができる。他軸感度の影響を抑えることができるため、検出精度を向上させることができる。また、短いピエゾ抵抗素子を応力集中部に配置し、それらを直列に接続して抵抗長を稼ぐことによって高感度化と低消費電力化を両立したセンサを提供できる。なお後述するが、隣接するピエゾ抵抗素子間の距離L1が6μmより大きいことがピエゾ抵抗素子間でのリーク電流値が少ない点で好ましい。
(Modification)
A modification of the first and second embodiments will be described with reference to FIG. 6 (Modification 1 to Modification 2).
§Modification 1
The detection unit R for detecting acceleration in the X, Y, and Z directions is configured by connecting a plurality of pairs of piezoresistive elements in series, and each piezoresistive element for detecting each direction is the center line of the flexible portion 123. Are arranged symmetrically. With the above configuration, when a twist that is not to be detected occurs when the piezoresistive element is arranged symmetrically with respect to the center line of the flexible portion 123, a reverse stress is applied to the piezoresistive element. Therefore, the influence of stress can be offset. Since the influence of other axis sensitivity can be suppressed, detection accuracy can be improved. Further, a sensor that achieves both high sensitivity and low power consumption can be provided by arranging short piezoresistive elements in the stress concentration portion and connecting them in series to increase the resistance length. As will be described later, it is preferable that the distance L 1 between adjacent piezoresistive elements is larger than 6 μm in that the leak current value between the piezoresistive elements is small.

§変形例2
X、Y、Z方向の加速度を検出するための検出部Rを、折り返し形状を有するピエゾ抵抗素子で構成して可撓部123に配置している。ピエゾ抵抗素子を応力集中部に配置し、折り返し形状で一体に形成して抵抗長を稼ぐことによって高感度化と低消費電力化を両立したセンサを提供できる。なお、後述するが隣接するピエゾ抵抗素子部の距離L1が6μmより大きいことがピエゾ抵抗素子間でのリーク電流値が少ない点で好ましい。
§Modification 2
A detection portion R for detecting acceleration in the X, Y, and Z directions is configured by a piezoresistive element having a folded shape and disposed in the flexible portion 123. A sensor that achieves both high sensitivity and low power consumption can be provided by arranging a piezoresistive element in a stress concentration portion and integrally forming a folded shape to increase the resistance length. As will be described later, it is preferable that the distance L 1 between adjacent piezoresistive element portions is larger than 6 μm in that the leak current value between the piezoresistive elements is small.

以下、上記の第1の実施形態に係る物理量センサ(ピエゾ抵抗型加速度センサ)につき、検出部間の距離を変化させた際のRx−Rz間のリーク電流値を測定した。リーク電流値は、Rx−Rz間に電圧を印加し、その検出部間に流れる電流値を計測することで測定を行なった。図8は検出部間の距離とリーク電流との関係を表す図面である。なお、ピエゾ抵抗素子は、不純物の表面濃度を約3.2×1017atoms/cm3、不純物拡散深さを1.5μmとなるように熱拡散法により形成した。検出部間の距離が6μmよりも大きい場合には、印加電圧が0V〜10Vの範囲で検出部間のリーク電流は非常に小さかった。検出部の相互間距離を7μm、8μm、10μm、12μm、15μm、30μmとしたときにリーク電流が所定の値よりも小さいことを確認した。一方、複数の検出部間の距離が6μm以下(相互間距離を5μm、6μmとした)の場合には、検出部間のリーク電流が計測された。 Hereinafter, for the physical quantity sensor (piezoresistive acceleration sensor) according to the first embodiment, the leakage current value between Rx and Rz when the distance between the detection units was changed was measured. The leakage current value was measured by applying a voltage between Rx and Rz and measuring the current value flowing between the detection parts. FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the distance between the detection units and the leakage current. The piezoresistive element was formed by a thermal diffusion method so that the surface concentration of impurities was about 3.2 × 10 17 atoms / cm 3 and the impurity diffusion depth was 1.5 μm. When the distance between the detection units was larger than 6 μm, the leakage current between the detection units was very small when the applied voltage was in the range of 0V to 10V. It was confirmed that the leakage current was smaller than a predetermined value when the distance between the detection units was 7 μm, 8 μm, 10 μm, 12 μm, 15 μm, and 30 μm. On the other hand, when the distance between the plurality of detection units was 6 μm or less (the mutual distance was 5 μm or 6 μm), the leakage current between the detection units was measured.

以上、本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。   As described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係る加速度センサの全体斜視図である。1 is an overall perspective view of an acceleration sensor according to the present invention. 加速度センサの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of an acceleration sensor. センサ本体の平面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing of a sensor main body. 本発明に係る第1の実施形態を表す図面である。1 is a diagram illustrating a first embodiment according to the present invention. 本発明に係る第2の実施形態を表す図面である。It is drawing showing 2nd Embodiment which concerns on this invention. 本発明の変形例を表す図面である。It is drawing showing the modification of this invention. 本発明に係る第1の実施形態の製造方法を表す図面である。It is drawing showing the manufacturing method of 1st Embodiment which concerns on this invention. 検出部間の距離とリーク電流との関係を表す図面である。It is drawing which shows the relationship between the distance between detection parts, and leakage current.

符号の説明Explanation of symbols

1:加速度センサ
2:センサ本体
3:支持基板
110:SOI基板
120:シリコン膜
121:フレーム部
122:錘接合部
123:可撓部
124:開口
130:シリコン酸化膜
140:シリコン基板
141:フレーム部
142:錘部
150:絶縁層
151:コンタクトホール
152:配線
160:ギャップ
170:溝部

R:検出部(ピエゾ抵抗素子)
Rx1〜Rx4:(X軸方向の加速度を検出するための)検出部
Ry2〜Ry4:(Y軸方向の加速度を検出するための)検出部
Rz1〜Rz4:(Z軸方向の加速度を検出するための)検出部
M:拡散用マスク
1: Acceleration sensor 2: Sensor body 3: Support substrate 110: SOI substrate 120: Silicon film 121: Frame portion 122: Weight joint portion 123: Flexible portion 124: Opening 130: Silicon oxide film 140: Silicon substrate 141: Frame portion 142: weight part 150: insulating layer 151: contact hole 152: wiring 160: gap 170: groove part

R: detector (piezoresistive element)
Rx1 to Rx4: detecting units Ry2 to Ry4 (for detecting acceleration in the X-axis direction): detecting units Rz1 to Rz4 (for detecting acceleration in the Y-axis direction): (for detecting acceleration in the Z-axis direction) Detection unit M: diffusion mask

Claims (6)

半導体基板上に開口を有するマスクを形成する工程と、
前記開口により露出した前記半導体基板に、熱拡散法により複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子を形成した後、前記マスクを除去する工程と、
前記半導体基板上に、前記ピエゾ抵抗素子の少なくとも一部を覆う絶縁層を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子の形成領域内における前記絶縁層を開孔してコンタクトホールを形成する工程と、
を含むことを特徴とする物理量センサの製造方法。
Forming a mask having an opening on a semiconductor substrate;
Forming a plurality of piezoresistive elements on the semiconductor substrate exposed by the opening by a thermal diffusion method;
Removing the mask after forming the piezoresistive element;
Forming an insulating layer covering at least a part of the piezoresistive element on the semiconductor substrate;
Forming a contact hole by opening the insulating layer in a formation region of the piezoresistive element;
The manufacturing method of the physical quantity sensor characterized by including.
前記複数のピエゾ抵抗素子の相互間の距離を6μmより大きくすることを特徴とする請求項1記載の物理量センサの製造方法。   2. The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 1, wherein a distance between the plurality of piezoresistive elements is set to be larger than 6 [mu] m. 前記複数のピエゾ抵抗素子間に溝部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1または2記載の物理量センサの製造方法。   The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 1, further comprising a step of forming a groove between the plurality of piezoresistive elements. 前記絶縁層の形成をCVD法により行なうことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の物理量センサの製造方法。   The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 1, wherein the insulating layer is formed by a CVD method. 外周部に位置するフレーム部と、
前記フレーム部の内側に配置された錘部と、
前記フレーム部と前記錘部とを接続し、かつ前記フレーム部よりも厚みが薄い可撓部と、
前記可撓部に形成され、物理量変動を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、
前記複数のピエゾ抵抗素子の相互間の距離を6μmより大きくすることを特徴とする物理量センサ。
A frame portion located on the outer periphery,
A weight portion disposed inside the frame portion;
A flexible part that connects the frame part and the weight part and is thinner than the frame part;
A plurality of piezoresistive elements formed on the flexible portion for detecting physical quantity fluctuations,
A physical quantity sensor characterized in that a distance between the plurality of piezoresistive elements is larger than 6 μm.
前記ピエゾ抵抗素子の間に溝部を有することを特徴とする請求項5記載の物理量センサ。   The physical quantity sensor according to claim 5, further comprising a groove between the piezoresistive elements.
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